服務(wù)熱線(xiàn)
0755-26825352
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18948189678
摘要： 分析了冷作模具鋼失效的三種典型類(lèi)型，即過(guò)載失效、磨損失效和疲勞失效的形態(tài)和特征；對比了幾種冷作模具鋼工藝和性能；重點(diǎn)探討了高硬度冷作模具鋼的表面開(kāi)裂敏感性、缺口斷裂性能與工藝參數的關(guān)系，提出一些提高冷作模具斷裂抗力、減少模具早期失效的途徑。
模具是制造技術(shù)中的重要基礎工藝裝備，模具產(chǎn)品的質(zhì)量不僅關(guān)系到生產(chǎn)制品的質(zhì)量、性能，而且直接影響到制造成本和效率。我國模具生產(chǎn)廠(chǎng)點(diǎn)約2萬(wàn)余家，模具總產(chǎn)值超過(guò)450億元人民幣。在汽車(chē)、家電、通訊和儀器儀表、塑料、金屬加工等行業(yè)的模具產(chǎn)品中，冷作模具占有相當市場(chǎng)。
根據以往冷作模具使用和失效情況統計，模具質(zhì)量很大程度取決于模具選材和工藝制定，依據模具使用條件，正確選擇模具材質(zhì)和制定合理的處理工藝對減少冷作模具早期失效非常重要。這里主要探討與冷作模具失效分析有關(guān)的幾個(gè)問(wèn)題。
1 冷作模具材料及性能要求
冷作模具主要完成金屬或非金屬材料的冷成形，包括冷沖壓、冷擠壓和冷鐓模具等。與熱作模具相比，這類(lèi)模具工作載荷大、尺寸精度、表面質(zhì)量要求高、加工批量大，多數為最終產(chǎn)品。為適應這種工況要求，多采用高碳或高合金鋼制作冷作模具，工作硬度為58-60HRC。
通常選用的冷作模具鋼要求有足夠的強度(包括抗拉，抗壓和抗彎強度)，足夠的韌度，足夠的硬度和抗磨能力(特別是表面)，足夠的抗疲勞能力(特別是多沖疲勞性能)；對于大載荷的冷擠壓和冷鐓鍛體成型模具，因劇烈變形產(chǎn)生熱量(約300℃)，要求材料具有更高的抗變形和斷裂能力。
根據文獻[3～8]整理的部分冷作模具鋼典型處理工藝及其力學(xué)性能表見(jiàn)表1，可以供選擇模具材料和制定處理工藝時(shí)參考。
2 冷作模具失效分析中的一些問(wèn)題探討
通過(guò)對國內冷鐓、冷沖、冷擠壓模具失效情況調查分析，統計結果如表2所示。
從表2統計結果看，冷作模具主要失效類(lèi)型是過(guò)載失效和磨損失效，約占失效總數80％-90％。冷鐓模具以裂斷或非正常磨損(局部脫落)為主，冷擠壓模具以脆斷或磨損失效為主，而冷沖模具以磨損失效為主。高工作應力，大波動(dòng)應力的冷擠壓和冷鐓模具出現脆性開(kāi)裂失效比例明顯高于低工作應力冷沖模。
表2中收集的疲勞斷裂失效比例較少，這與冷作模具材料多采用高碳、高合金鋼，硬度高達60HRC，疲勞斷裂的形態(tài)難于區分和統計有關(guān)。
實(shí)際上冷作模具失效原因很多，此模具材料因素外，還與工作設備精度和狀況，制品材質(zhì)和表面質(zhì)量，模具結構和加工精度，操作人員素質(zhì)等多因素有關(guān)，其中一些隨機因素給失效分析增加困難。
2.1 冷作模具鋼工作應力，硬度和壽命的關(guān)系
測量統計結果表明，對于制品為鋼鐵材料，冷擠壓模具材料承受的平均工作應力約2500MPa，使用硬度62-64HRC，冷鐓模具約1500MPa，使用硬度58-62HRC，冷沖模具約500MPa，使用硬度60-62HRC，其中以冷擠壓模具應力違禁詞。實(shí)際上還要承受10％—20％的隨機載荷，模具局部應力要超過(guò)上述應力。
冷作模具鋼工作硬度對壽命的影響是綜合作用的結果，圖1所示為冷擠壓W6Mo5Cr4V2鋼沖頭(擠壓20Cr鋼)工作硬度與失效類(lèi)型、使用壽命統計圖。
圖1所示W(wǎng)6Mo5Cr4V2鋼硬度與壽命關(guān)系說(shuō)明，壽命曲線(xiàn)存在兩個(gè)低壽命區硬度區(即C和B區)，當小于63HRC時(shí)(塑變失效為主)或大于64HRC時(shí)(脆斷失效為主)的低壽命區。對于早期失效的冷作模具應當仔細分析材料因素和其他因素的影響。
2.2 冷作模具主要的失效形態(tài)
冷作模具主要失效形式有過(guò)載失效、磨損失效和疲勞失效等，典型失效斷口形見(jiàn)圖2，下面分別討論。
2.2.1 過(guò)載失效
過(guò)載失效系指材料本身承載能力不足以抵抗工作載荷(包括隨機波動(dòng)載荷)作用引起的失效，包括韌度不足和強度不足兩類(lèi)失效。其中對韌度不足出現得脆斷失效應予以重視。
(1)材料韌度不足的失效
由于此類(lèi)失效前無(wú)宏觀(guān)征兆和斷裂突發(fā)性，是冷作模具失效中最危險的事故，以往因此類(lèi)失效也出現過(guò)人身事故，給生產(chǎn)安全和經(jīng)濟建設造成很大的損失。這種失穩態(tài)下的斷裂失效在冷擠壓和冷鐓模具中容易出現，如沖頭折斷、開(kāi)裂，甚至產(chǎn)生爆裂，其特征是失效產(chǎn)生前無(wú)明顯塑性變形，宏觀(guān)斷口無(wú)剪切唇，且比較平坦，造成模具不可修復的永久失效。
產(chǎn)生這種失效與模具材料韌度不足，承受過(guò)高應力有關(guān)。對冷擠壓模具實(shí)際承載能力分析計算可知，沖頭失效前承受工作應變能力是材料斷裂消耗能的上千倍，說(shuō)明了工作時(shí)沖頭承受高潛在動(dòng)能和低的斷裂抗力。根據能量守恒原理，沖頭斷裂勢幾乎全部能量變?yōu)閿U展動(dòng)能，其擴展的極限速度可達103m/s。當模具結構存在應力集中，如六方冷鐓沖頭尾部過(guò)渡區r≤1mm時(shí)，應力中集中系數K t =2，冷擠壓沖頭臺階處r=3mm時(shí)，Kt=1.3，甚至機械加工刀痕、磨削粗痕跡等均可成為薄弱環(huán)節，產(chǎn)生失穩斷裂。高碳、高合金的冷作模具鋼，使用狀態(tài)為回火馬氏體和二次析出相，含有較多一次剩余碳化物，材料硬度高，基體吸收能量、松弛應力．應變的能力低，一次碳化物的不均勻性分布又嚴重降低材料韌度。因此這類(lèi)失效斷口看不到宏觀(guān)變形，微觀(guān)變形的尺寸大致與碳化物間距相當。
(2)強度不足失效
在冷鐓、冷擠壓沖頭中材料抗壓、彎曲抗力不足，易出現鐓頭下凹、彎曲變形失效。在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中容易產(chǎn)生此類(lèi)失效，原因工作載荷過(guò)大，模具硬度偏低有關(guān)。實(shí)際經(jīng)驗說(shuō)明，冷鐓沖頭硬度＜56HRC，冷擠沖頭硬度＜62HRC時(shí)易出現這類(lèi)失效；同時(shí)說(shuō)明材料強度不足，塑性有余，有韌度潛力可以發(fā)揮。
解決此類(lèi)早期失效的經(jīng)驗方法是：脆斷失效減硬度(增強度)；變形失效增硬度(增強度)。
2.2.2 磨損失效
磨損失效是指模具工作部位與被加工材料之間的摩擦損耗，使工作部位(刃口、沖頭)形狀和尺寸發(fā)生變化引起的失效。它又包括正常磨損失效和非正常磨損失效兩類(lèi)：
(1)正常磨損失效
對要求表面尺寸嚴格的冷沖壓，冷擠壓模具，在保證材料不斷前提下，模具壽命取決于表面抗磨損能力。模具工作部位與被加工材料之間的均勻摩擦損耗，使工作部位(刃口、沖頭)形狀和尺寸發(fā)生變化引起的失效。通常模具使用壽命較長(cháng)，如表面質(zhì)量要求高的沖載模、擠壓模易產(chǎn)生此類(lèi)失效(圖2c)。
(2)非正常磨損失效
在局部高壓力作用下模具工作部位與被加工材料問(wèn)發(fā)生咬合—被加工材料“冷焊”到模具表面(或模具材料“冷焊”到加工材料表面)，引起被加工產(chǎn)品(或模具材料)表面形狀和尺寸發(fā)生突變出現的失效，引起被加工產(chǎn)品表面質(zhì)量出現劃痕的失效。在拉伸、彎曲模具及冷擠壓模具中易發(fā)生此類(lèi)失效(圖2d)。
2.2.3疲勞失效(多沖疲勞失效)
冷作模具載荷都是以一定沖擊速度、一定能量作用下周期性施加的，這種狀態(tài)與小能量多沖疲勞實(shí)驗(以一定能量周期性加載和卸載)相似。由于模具材料多沖疲勞的斷裂壽命多在1000—5000次，通常裂紋疲勞源和裂紋擴散區無(wú)明顯界限。
模具鋼疲勞與結構鋼疲勞有很大差異。因為脆性材料疲勞裂紋的萌生期占大部分壽命，多數情況裂紋萌生與擴展難于區分。仔細分析疲勞微觀(guān)形態(tài)看出，裂紋萌生多在材料表面薄弱環(huán)節，如晶界、碳化物和應力集中部位。實(shí)驗表明，沖擊疲勞裂紋萌生約0.1mm微裂紋時(shí)壽命占總壽命的90％以上，從斷口上難觀(guān)察到結構鋼穩態(tài)擴展區和疲勞條帶，裂紋一旦產(chǎn)生就快速失穩擴展。經(jīng)過(guò)噴丸強化處理的高速鋼，由于表面殘余壓應力作用，使裂紋源位置轉移到次表面約0.2mm處(圖2e)，改善材料表面應力狀態(tài)是提高多沖疲勞抗力的有效途徑。多沖疲勞失效常見(jiàn)于重載模具如冷擠壓、冷鐓沖頭模具中。
2.3 Crl2鋼的表面開(kāi)裂敏感性問(wèn)題
高硬度材料表面開(kāi)裂敏感性是一項反映材料表面失效抗力性能的指標，表面裂紋是模具常出現的問(wèn)題，傳統方法難于評價(jià)。對冷作模具鋼用維氏硬度試驗法檢測表面開(kāi)裂敏感性，是一種有效簡(jiǎn)便方法。
開(kāi)裂檢測在布洛維硬度計上進(jìn)行，先將試樣細磨機械拋光，用4％硝酸酒精溶液侵蝕適，用一個(gè)相對面間夾角為136o的金剛石正四棱錐體壓頭，在一定載荷下壓入被測金屬表面(圖3a)。在顯微鏡下觀(guān)測壓痕正方形邊界形態(tài)變化。每個(gè)試樣測3-5點(diǎn)。受力分析表明，只有當作用在邊界的應力大于材料局部區域開(kāi)裂的門(mén)檻值時(shí)，就可能出現裂紋，從而可以判斷該材料的表面開(kāi)裂敏感性。圖3b，c為Crl2鋼的開(kāi)裂敏感性試驗結果和形貌。
2.4 高速鋼W6Mo5Cr4V2鋼的缺口敏感性問(wèn)題
高速鋼模具結構中不可避免存在宏觀(guān)、微觀(guān)應力集中，高硬度材料的應力集中對斷裂失效分析有重要研究和應用意義。
W6Mo5Cr4V2鋼缺口敏感性研究采用軸對稱(chēng)缺口拉伸試樣。缺口應力集中系數分別為4.5，3.8，3.2，2.4和1，W6Mo5Cr4V2鋼分別采用1170℃，1190℃，1210℃和1230℃淬火560℃回火后的性能。圖5為W6Mo5Cr4V2鋼奧氏體溫度、缺口半徑與缺口斷裂韌度K1(r)的關(guān)系。
實(shí)驗表明，W6Mo5Cr4V2鋼缺口斷裂韌度隨缺口半徑r1/2呈線(xiàn)性遞增關(guān)系：K1(r)=K1(r o )+Y r 1/2 ；淬火溫度上升，斷裂韌度K1(r o )下降，K1(r)-r 1/2 曲線(xiàn)斜率亦從Y=491下降到173。斜率變化不同表明，低溫斜率Y值高于高溫狀態(tài)，說(shuō)明低溫淬火更有利于提高材料抗應力集中的能力。
2.5 W6Mo5Cr4V2鋼的斷口分形維數與處理工藝的關(guān)系
在斷口掃描電鏡觀(guān)察的同時(shí)，使用SEM入射電子束沿斷口表面一定方向掃描得到二次電子線(xiàn)曲線(xiàn)圖。該曲線(xiàn)反映了斷口沿此方向的二次電子線(xiàn)強度變化。材料斷裂表面的不規則程度按統計意義上講可以用分形維數D(無(wú)量綱)來(lái)定量描述。圖5 W6Mo5Cr4V2鋼不同處理工藝的掃描斷口與二次電子線(xiàn)的對應圖。
實(shí)驗測量了W6Mo5Cr4V2鋼不同工藝斷口分形維數和力學(xué)性能間關(guān)系，結果見(jiàn)表3。
由表3可知，隨著(zhù)淬火溫度增加，W6Mo5Cr4V2鋼分維數D呈下降趨勢，即D值從1170時(shí)的1.165降到1230時(shí)的1.375，同時(shí)可以看出，隨著(zhù)斷裂韌度K 1c 和沖擊韌度A k 的增大材料的D值也增大。D值大小是表征斷口不平整程度大小的度量，D值大表明斷口表面不平度大，斷裂時(shí)消耗能大，通過(guò)斷口照片和二次電子線(xiàn)對應比較可以說(shuō)明這種對應關(guān)系。
分析W6M 8 5Cr4V2鋼分形維數D與HRC，晶粒尺寸d，彎曲強度的關(guān)系可知，隨著(zhù)鋼彎曲強度δ b 的增加，D值增大，隨著(zhù)硬度HRC增大，或晶粒尺寸d的增加，D值隨之減少小，淬火溫度提高，W6M 8 5Cr4V2鋼的,δb晶粒尺寸d增大，硬度HRC增大，而韌性K 1c 和A k 均減小，因此斷裂時(shí)的能耗和D值均減少。
3 冷模具材料的抗斷裂能力問(wèn)題探討
用于評價(jià)失效抗力或承載能力的指標：對于整體材料通常用σ s ,σ b ,σ f ,A k ，等。對于裂紋體(缺口)J IC ，K IC ，及缺口強度等。韌性斷裂的材料，這些指標測得的實(shí)驗數據相對比較穩定，重現性好，能夠較好的反映了材料的失效抗力指標。
對于脆性斷裂的材料，包括韌——脆混合斷裂的材料，其失效抗力的評價(jià)還很不完善。主要問(wèn)題是這類(lèi)材料的屈服與斷裂無(wú)明顯界限；材料性能測試數據分散性大，測定較困難，因而國內外對此類(lèi)材料的評價(jià)各不相同。綜上所說(shuō)，作者認為：
(1)脆性是與韌性相反定義的一項材料強度塑性指標，評價(jià)材料脆性，采用強度一塑性綜合指標為宜，用單一強度或塑性指標尚不能完整表述脆性材料的屬性。
(2)材料的脆斷過(guò)程往往是從無(wú)宏觀(guān)裂紋——裂紋體形成——裂紋擴展斷裂。所以評價(jià)材料脆性，應分別考慮無(wú)宏觀(guān)斷裂紋體的材料脆性和有裂紋體的材料脆性?xún)煞N屬性。
(3)無(wú)宏觀(guān)裂紋體的脆性材料斷裂評價(jià)，用斷裂消耗能量評價(jià)，如拉伸、壓縮、彎曲等應力一應變的面積(或力一位移曲線(xiàn)下面積)，沖擊功等消耗的能量。表面的粗糙度和缺陷尺寸對此性能測量影響很大。
(4)有裂紋體的材料用斷裂韌性指標評價(jià)：如K IC J IC G IC 等擴展裂紋體消耗的能量，但是脆性材料的斷裂韌性值都很低，裂紋體尖端形狀和性能的均勻性對性能測量影響很大，常見(jiàn)材料的斷裂韌度分布圖圖6。經(jīng)過(guò)對W6Mo5Cr4V2鋼冷擠壓沖頭模具實(shí)際承載能力分析計算可知，脆性失效材料承受工作應變能力是斷裂消耗能的上千倍，幾乎全部能量轉變?yōu)閿U展動(dòng)能，使沖頭迅速爆裂。
材料強度和韌度雖然并非總是相互矛盾，但這種矛盾關(guān)系具有普遍l生。有關(guān)評價(jià)冷作模具材料抗脆性斷裂的性能問(wèn)題有待進(jìn)一步探討。
根據實(shí)踐經(jīng)驗，在選擇模具材料和制定合理處理工藝方面，提出一些減少冷作模具早期失效的途徑。
(1)細化冷作模具鋼的碳化物的顆粒或晶粒尺寸，可提高材料強度和斷裂韌度，提高材料抗脆斷能力。
(2)提高模具表面質(zhì)量，由于脆性材料對表面缺陷特別敏感(缺口應力集中)，采用拋光、磨光、表面強化等途徑均可提高抗脆斷能力。
(3)復相組織增韌增強，在材料中增加一種或數種增韌增強的彌散組織，可以起到吸收能量，阻礙裂紋擴展的作用。例如增韌的ZrO 2 ，殘余奧氏體，相變硬化鋼等都能起到增韌效果。
(4)纖維增強復合材料，利用金屬，非金屬纖維材料的強韌性制備復合材料，提高抗斷裂強度。
(5)梯度材料，根據不同性能要求采用復合多層功能梯度材料，如用表面抗脆性能好的涂層材料來(lái)提高表面處理韌度等。
(6)采用不同加工工藝，熱處理工藝等，如脆斷失效減硬度(增強度)；變形失效增硬度(增強度)等。可以在一定范圍內提高抗脆斷能力。
4 結論
(1)根據模具使用壽命和失效統計分析結果，提出一些冷作模具鋼材和性能選擇參數；
(2)分析了冷作模具鋼的幾種主要失效形式：過(guò)載失效，磨損失效和疲勞失效特征和形態(tài)等；提出典型冷作模具失效規律；探討模具失效，模具壽命及材料工藝之間的聯(lián)系；
(3)對高硬度模具鋼的表面開(kāi)裂敏感性，缺口斷裂性能以及脆性斷裂機理進(jìn)行分析研究；
(4)強調正確選擇模具材質(zhì)和制定合理處理工藝重要性，提出一些減少脆斷的方法。
